JP6630424B2 - インバータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ制御方法に関する。

インバータは、電気的に直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する逆変換装置である。産業界で使用されているインバータは、常用電源から供給される電力を入力され、自発で電圧と周波数を可変して電動機に供給する。すなわち、インバータは、電動機の速度を高効率に利用するように制御する一連の装置に定義される。かかるインバータは、可変電圧可変周波数（ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＶＶＶＦ）方式によって制御され、パルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）出力に応じて電動機に入力される電圧と周波数を可変することができる。

図１は、一般的なインバータの構成図である。

通常、インバータ１００は、三相交流電源を印加され、整流部１１０がこれを整流して、直流リンクキャパシタ１２０は、整流部１１０の整流した直流電圧を平滑して貯蔵する。インバータ部１３０は、直流リンクキャパシタ１２０に貯蔵されている直流電圧をＰＷＭ制御信号に応じて所定の電圧及び周波数を有する交流電圧を出力して、これを電動機に提供する。インバータ部１３０は、３相レグで構成されており、各レグには２つのスイッチング素子が直列に連結して構成される。

このような構成において、整流部１１０に入力される入力電圧の大きさと関係なく、直流リンク電圧が直流リンクキャパシタの定格電圧である８２０Ｖになると、過電圧故障によってインバータ１００の運転が停止することになった。

従来の場合、インバータ１００の運転中に直流リンク電圧が直流リンクキャパシタ１２０の定格電圧を超えることは、まれであったが、地域によって入力電圧の変動幅が大きいため、インバータ１００の運転中に直流リンク電圧が直流リンクキャパシタ１２０の定格電圧を外れて、直流リンク過電圧故障が発生し、インバータ１００が停止する場合がある。

このような場合、Ｅ６０３８４−４キャパシタテスト項目のサージ電圧テスト（ｓｕｒｇｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｅｓｔ）に規定するキャパシタの寿命条件から外れる場合が頻繁であり、キャパシタの焼損にまで繋がる問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、入力電圧が高くなる場合にも運転可能な領域を増やすことによって、連続してインバータを運営するためのインバータ制御方法を提供することである。

これにより、本発明が解決しようとする技術的課題は、ハードウェア的な変更を求められないながら直流リンクキャパシタの寿命条件を満たすインバータ制御方法を提供することである。

上記のような技術的課題を解決するために、直流リンクキャパシタと複数のスイッチング素子で構成されるインバータ部を含むインバータシステムにおいて、前記インバータ部を制御する本発明の一実施形態の方法は、前記直流リンクキャパシタの直流リンク電圧が所定の第１電圧以上であるかを確認するステップ；前記直流リンク電圧が前記第１電圧より大きい第２電圧以上であるかを確認するステップ；前記直流リンク電圧が前記第１電圧以上であり、前記第２電圧未満である場合、直流リンク電圧と時間を利用して計算した値を累積し、累積値が所定の第１値以上である場合、前記インバータ部の出力を遮断するステップ；及び前記直流リンク電圧が前記第１電圧未満である場合、前記累積値から所定の第２値を引いた値を累積値に更新するステップを含んでいてもよい。

本発明の一実施形態の方法は、前記直流リンク電圧が前記第２電圧以上である場合、前記インバータ部の出力を遮断するステップをさらに含んでいてもよい。

本発明の一実施形態において、前記直流リンク電圧と時間を利用して計算した値は、Ｖ²ｔであってもよい。

本発明の一実施形態の方法は、更新された累積値が０より小さい場合、累積値を０に更新するステップをさらに含んでいてもよい。

本発明の一実施形態の方法は、前記インバータ部の出力が遮断されてから所定時間が経過した場合、直流リンク電圧が定格電圧の範囲以内である場合にはインバータ部の出力遮断を解除するステップをさらに含んでいてもよい。

本発明の一実施形態において、前記第２値は、前記第１値から所定の単位時間の間、第１値を引くと０になる定数であってもよい。

上記のような本発明は、インバータの入力電圧の変動が大きいか、電動機から電圧が回生されて、直流リンクキャパシタの過電圧状態が継続する間に発生する問題から直流リンクキャパシタを保護することができ、従来は入力電圧が高い場合、頻繁な過電圧故障によってインバータの連続動作が不可能であった問題を解決する効果がある。

一般的なインバータの構成図である。 直流リンク電圧に応じて過電圧故障が発生するまでの時間を示す一例示図である。 本発明の一実施形態のインバータ制御装置を備えるインバータシステムの構成図である。 本発明の一実施形態のインバータ制御方法を説明するための流れ図である。

本発明の構成及び効果を十分に理解するため、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明は、以下に開示する実施形態に限定されるものではなく、様々な形態に具現することができ、多様な変更を加えることができる。但し、本実施形態に関する説明は、本発明の開示を完全にして、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付の図面における構成要素は、説明の便宜のためその大きさを実際より拡大して示したものであり、各構成要素の割合は、誇張するか縮小してもよい。

「第１」、「第２」などの用語は、多様な構成要素を説明するに使われるが、前記構成要素は、上記用語によって限定されてはならない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を脱しないながら、「第１の構成要素」は「第２の構成要素」に命名されてもよいし、同様、「第２の構成要素」も「第１の構成要素」に命名されてもよい。また、単数の表現は、文脈上明白に別に表現しない限り、複数の表現を含む。本発明の実施形態において使われる用語は、別に定義されない限り、当該技術分野における通常の知識を有する者に通常知られた意味に解釈される。

以下では、図２及び図３を参照して、本発明の一実施形態によるインバータ制御方法を説明する。

図２は、直流リンク電圧に応じて過電圧故障が発生するまでの時間を示す一例示図である。

図面を参照すると、直流リンク電圧が例えば、８５０Ｖである場合、過電圧故障が発生するまでにかかる時間は約１ｍｓｅｃであり、直流リンク電圧が８２０Ｖである場合、過電圧故障が発生するまでにかかる時間は約４００ｍｓｅｃであることが分かる。このように、直流リンク電圧が大きいほど、過電圧故障が発生するまでの時間は短くなる。

入力電圧が高くなるにつれて、直流リンクキャパシタ２０の定格電圧を超えて運転するか、又は回生によって電動機の電圧が直流リンクキャパシタ２０に印加されて、キャパシタ２０の電圧が急激に上昇する場合、キャパシタ２０の寿命が短くなり得るため、本発明の一実施形態のインバータ制御方法は、キャパシタ２０を保護するためにＩＥＣ６０３８３ ４−１４規格に保証する仕様内で反限時特性を有するようにすることができる。

本発明の一実施形態によれば、インバータが過電圧故障を発生した後、５秒間はインバータが運転不可能となり、５秒後に直流リンクキャパシタ電圧がキャパシタ２０の定格電圧以内である場合に限って、故障が解除されてインバータ１の運転が可能となる。

キャパシタ２０のストレスは、電圧に加重値があるため本発明の一実施形態では、Ｖ²ｔを演算し、Ｖ²ｔの累積値が一定したレファレンスβ以上になれば過電圧故障を発生して、Ｖ²ｔの累積値は、直流リンク電圧が８０５Ｖ以上である場合には連続して累積する。そして、直流リンク電圧が８０５Ｖ未満である場合は、累積値を一定値αだけ減少させることができる。このとき、αは、βから５秒間αだけ引くと０になる定数であってもよい。

図３は、本発明の一実施形態のインバータ制御装置を備えるインバータシステムの構成図である。

図面に示したように、本発明の一実施形態のインバータ１は、整流部１０、直流リンクキャパシタ２０及びインバータ部３０で構成されており、電源供給部４０、アイソレーター５０及び制御部６０を含んでいてもよい。

整流部１０は、入力される三相電源を整流し、直流リンクキャパシタ２０がこれを平滑して貯蔵することができる。直流リンクキャパシタ２０は、普通、２つ又はそれ以上のキャパシタが直列に連結して構成されてもよい。インバータ部３０は、複数の半導体スイッチング素子が配置されるものであって、３相レグの上部及び下部スイッチング素子のオン／オフに応じて直流リンクキャパシタ２０に貯蔵されている電圧を三相交流電圧に出力することができる。

本発明の一実施形態において、電源供給部４０は例えば、スイッチモード電源供給器（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｍｏｄｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ＳＭＰＳ）であってもよいし、直流リンクキャパシタ２０から検出された電圧が電源供給部４０に提供されてもよい。電源供給部４０は、入力される直流リンク電圧を小電圧に分圧することができる。例えば、電源供給部４０は、直流リンク電圧が９００Ｖ入力される場合、２００ｍＶに変換して、これをアイソレーター５０に提供する。

アイソレーター５０は、電源供給部４０から印加される、小電圧に分圧された直流リンク電圧を制御部６０に提供する。アイソレーター５０は、回路の一方向に信号を伝達する受動素子であってもよい。

制御部６０は、本発明の一実施形態によって直流リンク電圧の過電圧を判断し、インバータ部３０のゲート信号を遮断して過電圧保護を行うことができる。以下では、本発明の一実施形態の制御方法を図面を参照して説明する。一方、本発明の一実施形態のインバータ制御装置は、貯蔵部７０をさらに含めており、制御部６０で生成するデータを貯蔵することができる。

図４は、本発明の一実施形態のインバータ制御方法を説明するための流れ図である。

図面に示したように、本発明の一実施形態の方法は、制御部６０がインバータ部３０のスイッチング素子にゲート信号を伝達して（Ｓ１０）、インバータ１の運転が始まる。制御部６０は、ゲート信号を伝達して、インバータ部３０のスイッチング素子のオン／オフを制御することができる。

インバータ部３０のスイッチング素子のオン／オフに応じて出力電圧が電動機（未図示）に印加されると、直流リンク電圧が変動する。電源供給部４０は、直流リンクキャパシタ２０の直流リンク電圧を電圧検出部（未図示）から受信し、これを小電圧に変換して、アイソレーター５０を介して制御部６０に提供する。

制御部６０は、直流リンク電圧を確認して（Ｓ１５）、直流リンク電圧が所定の第１電圧（本発明の一実施形態では、８０５Ｖとする）以上であるかを確認することができる（Ｓ２０）。本発明の一実施形態では、直流リンクキャパシタ２０の直列に連結された個別キャパシタの容量が４００Ｖであると仮定して考える。従って、２つの個別キャパシタが直列に連結されたものであるため、基本的に第１電圧は、８００Ｖであってもよいが、本発明の一実施形態では、マージンを考慮して、第１電圧を８０５Ｖであると想定して説明する。但し、これは、本発明の一実施形態に限定されるものではなく、直列に連結されたキャパシタの数及び個別キャパシタの容量によって決定されてもよい。

従来の場合、比較器を用いて、直流リンク電圧と比較器レファレンスを比較して過電圧が発生したと判断し、インバータ部３０のゲート信号を遮断した。すなわち、比較器レファレンスを例えば、８２０Ｖに選定して、直流リンク電圧が８２０Ｖを越える場合に過電圧発生を判断したため、入力電圧の変動が大きいか、電圧が回生されて直流リンクキャパシタの過電圧状態が継続する場合も、過電圧故障が頻繁に発生する問題点があった。本発明は、かかる問題点を解決するためのものである。

制御部６０は、直流リンク電圧が８０５Ｖより大きい場合は、さらに所定の第２電圧（本発明の一実施形態では例えば、８５０Ｖ）以上であるかを確認することができる（Ｓ２５）。但し、本発明の一実施形態において、第２電圧が８５０Ｖに限定されるものではなく、直列に連結されたキャパシタの数及び個別キャパシタの容量によって決定されてもよい。

もし、Ｓ２５における直流リンク電圧が８５０Ｖ以上である場合、制御部６０は、過電圧故障と判断し、インバータ部３０へ伝送するゲート信号を遮断して、インバータ部３０の出力を遮断することができる。

Ｓ２５における直流リンク電圧が８５０Ｖ以下である場合は、Ｖ²ｔを累積する（Ｓ３０）。このとき、Ｖは直流リンク電圧であり、ｔは予め設定された単位時間であってもよい。累積した累積値は、貯蔵部７０に貯蔵されてもよい。

このとき、制御部６０は、Ｖ²ｔを累積した累積値が所定のβ以上である場合、制御部６０は、過電圧故障と判断し、インバータ部３０へ伝送するゲート信号を遮断して、インバータ部３０の出力を遮断することができる。しかし、制御部６０は、Ｖ²ｔを累積した累積値が所定のβ以上ではない場合、Ｓ１５に進めて、さらに直流リンク電圧を確認することができる。

Ｓ４０において、過電圧故障によってインバータ部３０の出力が遮断された場合、制御部６０は、インバータ部３０の出力が遮断されてから所定時間（例えば、５秒）が経過したかを確認して（Ｓ６０）、所定時間が経過していない場合にはインバータ部３０の出力遮断を維持してもよい。

もし、制御部６０は、所定時間が経過した場合、直流リンク電圧が定格電圧の範囲以内であるかを確認して（Ｓ６５）、定格電圧の範囲以内である場合にはさらにＳ１０に進め、制御部６０がインバータ部３０のスイッチング素子にゲート信号を伝達して（Ｓ１０）、インバータ１の運転が始まる。しかし、直流リンク電圧が定格電圧の範囲から外れる場合にはインバータ部３０の出力遮断を維持してもよい。

Ｓ２０において、制御部６０は、直流リンク電圧が８０５Ｖ以上ではない場合、累積値からαを引いた値をさらに累積値に更新することができる（Ｓ４５）。このとき、αは、βから５秒間αだけ引くと０になる定数であってもよい。但し、本発明の一実施形態がこれに限定されるものではなく、５秒のほか、他の時間が累積されることも可能である。

制御部６０は、累積値が０より小さい場合（Ｓ５０）、累積値を０に更新して（Ｓ５５）、さらにＳ１５に進めて直流リンク電圧を確認することができる。

このように、本発明の一実施形態によれば、インバータの入力電圧の変動が大きいか、電動機から電圧が回生されて、直流リンクキャパシタの過電圧状態が継続する間に発生する問題から直流リンクキャパシタを保護することができ、従来は入力電圧が高い場合、頻繁な過電圧故障によってインバータの連続動作が不可能であった問題を解決することができる。

以上のように、本発明による実施形態を説明したが、これは例示的なものに過ぎず、該分野で通常の知識を有する者であれば、これより多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能であるという点を理解することができる。従って、本発明の真の技術的保護の範囲は、次の請求範囲によって定めなければならない。

Claims (6)

1. 直流リンクキャパシタと複数のスイッチング素子で構成されるインバータ部と、前記インバータ部を制御する制御部を含むインバータシステムにおいて、前記制御部が前記インバータ部を制御する方法は、
   前記直流リンクキャパシタの直流リンク電圧が所定の第１電圧以上であるかを確認するステップ；
   前記直流リンク電圧が前記第１電圧より大きい第２電圧以上であるかを確認するステップ；
   前記直流リンク電圧が前記第１電圧以上であり、前記第２電圧未満である場合、直流リンク電圧と時間を利用して計算した値を累積して累積値を生成するステップ；
   前記累積値が所定の第１値以上である場合、前記インバータ部の出力を遮断するステップ；及び、
   前記直流リンク電圧が前記第１電圧未満である場合、前記累積値から所定の第２値を引いた値を前記累積値に更新するステップを含むインバータ制御方法。
2. 前記直流リンク電圧が前記第２電圧以上である場合、前記インバータ部の出力を遮断するステップをさらに含む、請求項１に記載のインバータ制御方法。
3. 前記直流リンク電圧と時間を利用して計算した値は、
   である、請求項１に記載のインバータ制御方法。
   （Ｖは直流リンク電圧であり、ｔは単位時間である。）
4. 前記累積値から所定の第２値を引いた値を前記累積値に更新するステップの後、
   前記更新された累積値が０より小さい場合、前記累積値を０に更新するステップをさらに含む、請求項１に記載のインバータ制御方法。
5. 前記インバータ部の出力が遮断されてから所定時間が経過して、前記直流リンク電圧が定格電圧の範囲以内である場合、前記インバータ部の出力遮断を解除するステップをさらに含む、請求項１に記載のインバータ制御方法。
6. 前記第２値は、
   前記第１値から所定の単位時間の間、前記第２値を引くと０になる定数である、請求項１に記載のインバータ制御方法。